[論文レビュー] Anomalous skew-scattering nonlinear Hall effect and chiral photocurrents in {\it PT}-symmetric antiferromagnets

Da Ma, Arpit Arora+2 more|PubMed|Oct 26, 2022

Topological Materials and Phenomena被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、PT対称性を満たす反強磁性体において、スピンに依存する歪み散乱とベリー曲率が協同して、内在的および従来の外部的ホール効果が消えるにもかかわらず、2次非線形ホール電流を生成する、新しい異常歪み散乱非線形ホール効果（ASN）を提案する。主な結果として、ASNはTHz帯域のヘリシティ依存性を持つキラル光電流を生成し、反強磁性秩序の新しいプローブを可能にする。

ABSTRACT

Berry curvature and skew scattering play central roles in determining both the linear and nonlinear anomalous Hall effects. Yet in PT-symmetric antiferromagnetic metals, Hall effects from either intrinsic Berry curvature mediated anomalous velocity or the conventional skew-scattering process individually vanish. Here we reveal an unexpected nonlinear Hall effect that relies on both Berry curvature and skew-scattering working in cooperation. This anomalous skew-scattering nonlinear Hall effect (ASN) is PT even and dominates the low-frequency nonlinear Hall effect for PT-symmetric antiferromagnetic metals. Surprisingly, we find that in addition to its Hall response, ASN produces helicity dependent photocurrents, in contrast to other known PT-even nonlinearities in metals that are helicity blind. This characteristic enables us to isolate ASN and establishes new photocurrent tools to interrogate the antiferromagnetic order of PT-symmetric metals.

研究の動機と目的

• PT対称性下で内在的および従来の外部的ホール効果が消えるにもかかわらず、ベリー曲率と歪み散乱が非線形ホール効果を生成できるかというパラドックスを解明すること。
• スピンに依存する異常速度と歪み散乱分布の協同作用から生じる、新たなメカニズム（ASN）を同定すること。
• ASNが金属的極限においてヘリシティ依存性を持つキラル光電流を生成することを示し、他のPT偶性非線形性と対照的にヘリシティに依存しないことと区別すること。
• 清浄なPT対称性反強磁性体において、ASNが支配的で外部的非線形ホール応答であることを確立し、低周波数領域で内在的非線形ホール効果を上回ること。
• 周波数およびヘリシティに分解された光電流測定を用いて、反強磁性秩序をプローブするための新しい実験的ツールを提供すること。

提案手法

• スピン軌道結合とネール秩序を有する最小限の2バンドブロッホハミルトニアンを用い、PT対称性を満たす反強磁性金属をモデル化する理論的分析。
• スピンに依存する歪み散乱率とベリー曲率に起因する異常速度を組み込んだ、半古典的ボルツマンアプローチを用いて、異常歪み散乱非線形ホール電流を導出する。
• ユニタリ変換を用いてハミルトニアンをブロック対角化し、擬スピン固有状態を特定することで、スピンの定量化が破れているにもかかわらず、有効な半古典的取り扱いが可能であることを示す。
• ASNと内在的非線形ホール（INH）メカニズムの両方の非線形ホール感受性（χ_xy_x）を計算し、周波数および化学ポテンシャル依存性を比較する。
• 感受性の虚部を分析し、ASNとINHを区別する。ASNは周波数依存性を持つ虚部を示すが、INHは実数である。
• 2次元CuMnAsモデル（ネールベクトルが[110]方向）において、実際のパラメータ（t = 1 eV, λ = 0.8t, Jₙ = 0.6t, t′ = 0.08t）を用いて非線形応答を数値的に評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 PT対称性反強磁性体において、内在的ベリー曲率と従来の歪み散乱寄与が消えるにもかかわらず、非線形ホール効果が持続可能か。
• RQ2 PT対称系において、歪み散乱とベリー曲率の協同作用から生じる非線形ホール応答の性質は何か。
• RQ3 提案された異常歪み散乱非線形ホール効果（ASN）はヘリシティ依存性を持つ光電流を生成するか。もしそうならば、他のPT偶性非線形性とどのように区別できるか。
• RQ4 清浄極限において、ASN応答と内在的非線形ホール効果の間で、大きさと周波数依存性の点で定量的にどのように比較できるか。
• RQ5 ASNによって媒介される周波数およびヘリシティに分解された光電流は、反強磁性秩序をプローブするための診断ツールとして機能可能か。

主な発見

• 異常歪み散乱非線形ホール効果（ASN）はPT偶性であり、内在的および従来の外部的ホール効果が消えるにもかかわらず、PT対称性反強磁性体においても持続する。
• 清浄なPT対称性反強磁性体において、ASNは低周波数非線形ホール応答を支配し、実際の散乱時間（τ ≈ 15–40 fs）のもとで、内在的非線形ホール効果（INH）を大きさの面で上回る。
• ASN感受性の虚部は非ゼロで周波数依存性を示すが、INH感受性は実数であるため、実験的に両メカニズムを明確に区別可能である。
• ASNはTHz帯域でヘリシティ依存性を持つキラル光電流を生成するが、これは金属における他の既知のPT偶性非線形性には見られない特徴である。
• ネールベクトルが[110]方向を向く2次元CuMnAsモデルにおいて、伝導帯でASN感受性はINHを2〜3倍上回り、ピーク値はV₀ = 2.7×10⁻¹³ cm²/eVのとき約10⁻¹³ cm²/eVに達する。
• 伝導帯においてASNとINH応答の符号は逆であり、輸送測定において両者を分離するための特徴となる。